[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung von Ein- und Ausspeicherprozessen
an einem unterirdischen Speicher mit bekanntem Volumen auf der Grundlage des am Bohrlochkopf
eines Bohrloches gemessenen Druckes.
[0002] Es ist allgemein bekannt, daß sich aus der Kenntnis der Strömungsgeschwindigkeit
und des daraus errechenbaren Volumenstromes in einem Förderrohrstrang wesentliche
Kriterien für den jeweils herrschenden Betriebszustand in einem unterirdischen Speicher
während des Speicherbetriebes festlegen lassen.
[0003] Die bisher bekannten Lösungen zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Volumenstromes
basieren grundsätzlich auf bekannten Verfahren zur Gasmengenmessung mittels Blenden,
Düsen, Staurohren etc.. Der an den Meßaufnehmern entstehende Druck oder Differenzdruck
wird mit Transmittern erfaßt, daraus die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Volumenstrom
errechnet und zur Überwachung und Steuerung des Speicherbetriebes einschließlich der
Erkennung von Rohrbrüchen in einer Steuerung verarbeitet. In Abhängigkeit vom Wert
der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt vermittels der Steuerung der Eingriff in den
Prozeßablauf, beispielsweise Schließen des Sondenabsperrventils bei Erreichen kritischer
Strömungsgeschwindigkeiten.
[0004] Die wesentlichen Nachteile dieser Meßwerterfassung bestehen darin, daß der gerätetechnische
Aufwand relativ hoch und kostenaufwendig ist und zur Abdeckung eines weiten Meßbereiches,
beispielsweise zwischen Normalbetrieb und dem Störfall (Rohrbruch), mehrere Differenzdruckmeßumformer
notwendig sind. Da die Meßwertgeber unmittelbar im Gasstrom angeordnet sind, können
diese bei der Hydratbildung leicht beschädigt werden. Außerdem können durch Flüssigkeitseintrag
in den Impulsleitungen die Meßwerte stark verfälscht werden. Auch der Ausfall der
Messung ist möglich.
[0005] Aus DD 0 153 737 ist eine Einrichtung zur Messung der Durchflußmengen in Rohrleitungen
von Chemieanlagen bekannt, die die Bestimmung der Durchflußmenge über die Geschwindigkeitsmessung
der in den Rohrleitungen fließenden Medien auf der Grundlage eines Gesamtdruckes und
eines statischen Druckes vornimmt. Die der Berechnung der Durchflußmenge zugrunde
liegenden Druckwerte werden mit Hilfe von Druck- und Differenzdruckmeßgeräten erfaßt,
die in Kammern eines Abzweiges der Rohrleitung angeordnet sind.
[0006] Um die Massengeschwindigkeit der Luftströmung in einem Verbrennungsmotor zu bestimmen,
nimmt die Meßeinrichtung nach DE 32 41 783 A1 ebenfalls eine Ermittlung des Differenzdruckes
aus dem Druckwert im Lufteinlaß vor und hinter einer Drossel vor.
[0007] Beide Lösungen sind mit den vorstehend ausgeführten Nachteilen behaftet und daher
für Ein- und Ausspeicherprozesse an unterirdischen Speichern nicht anwendbar.
[0008] Für bidirektionale Messungen, d.h. für Messungen mit denen sowohl die Ein- als auch
die Ausspeicherprozesse erfaßt werden können, sind entweder zwei Meßeinrichtungen
oder gesonderte Meßgeräte wie beispielsweise Meßblenden mit beidseitig scharfer Kante,
Ultraschalldurchflußmeßgeräte oder symmetrische Staudrucksonden notwendig. Beide Lösungen
sind mit einem hohen anlagenseitigen Aufwand verbunden und verursachen dadurch zwangsläufig
hohe Kosten.
[0009] Eine bekannte druckabhängige Steuerung dient ausschließlich der Rohrbrucherkennung.
Für die Betriebsführung der Ein- und Ausspeicherprozesse sind sie nicht geeignet.
Der druckabhängigen Steuerung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der am Sondenkopf
anstehende Druck unter anderem von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bestimmt
wird. Im Falle eines Rohrbruches wird die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums stark
ansteigen, so daß der Druck am Sondenkopf einen festgelegten Minimaldruck unterschreitet,
der im normalen Betriebsfall nicht unterschritten werden darf. Der Druck im Speicher
und damit auch der Druck am Sondenkopf ist von der eingelagerten Gasmenge abhängig.
Der Druck in einem voll befüllten und in einem maximal zulässig ausgespeicherten Kavernenspeicher
unterscheidet sich wesentlich. Daher besteht als Nachteil dieses Verfahrens die Notwendigkeit,
den Grenzwert für das Ansprechen der Sensoren (Druckschalter) ständig an den Füllungsgrad
des Speichers anzupassen. Weiterhin ist diese Steuerung nicht in der Lage, Rohrbrüche
mit einem, in Verhältnis zum Leitungswiderstand der Förderleitung und des Sondenkopfes
hohen Strömungswiderstand an der Bruchstelle zu erkennen.
[0010] Die bekannten druckänderungsabhängigen Steuerungen zur Erkennung von Rohrbrüchen
nutzen den Effekt aus, daß im Falle eines Rohrbruches der Gradient des Druckes schlagartig
ansteigt. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der selbsttätigen Anpassung der
Steuerung an verschiedene Betriebsdrücke in Abhängigkeit vom Füllungsgrad der Kaverne
und in der Erkennung von Rohrbrüchen mit relativ hohem Leitungswiderstand an der Bruchstelle.
Als Nachteil ist die verminderte Emfpindlichkeit dieser Steuerung bei kompressiblen
Medien anzusehen. Die Betriebsführung der Ein- und Ausspeicherprozesse ist mit Hilfe
der druckänderungsabhängigen Steuerungen nicht möglich.
[0011] Die vorgenannten Lösungen lassen sich nur mit relativ hohem Aufwand in ein bestehendes
Steuersystem einbinden. Sie sind vorwiegend auf die spezifischen Belange einer Rohrbruchsicherung,
die eine Erkennung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Größenordnung, die im Bereich
des Vielfachen des Maximalwertes der Strömungsgeschwindigkeit des normalen Betriebs
liegt, ausgelegt. Für die im normalen Betrieb ablaufenden Prozesse haben diese Meßgrößen
keine Relevanz und können für eine Weiterverarbeitung nicht verwendet werden. So ist
beispielsweise das Erkennen größerer Lecks oder Risse nicht möglich.
[0012] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten
Art dahingehend weiterzubilden, daß bei Reduzierung der meßtechnischen Ausrüstungen
die Strömungsgeschwindigkeit ohne direkte Gasmengenmessung bestimmt wird und bidirektionale
Messungen sowohl zur Überwachung und Steuerung der Einspeiseprozesse als auch der
Ausspeiseprozesse mit Hilfe einer Steuereinheit möglich sind.
[0013] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch 2.
[0014] Bei der Lösung der Aufgabenstellung geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß
ein Speicher, insbesondere ein Kavernenspeicher aufgrund seiner hohen Kapazität und
der geringen Strömungswiderstände ein annähernd integrales Verhalten besitzt und aus
dem Druckabfall an einer geraden Rohrleitung, wenn der Druck am Einlauf und am Auslauf
des Rohrstückes bekannt ist, die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Kavernenspeicher
besitzen im allgemeinen keine Einrichtungen zur Messung des Innendruckes. Um das Problem
einer fehlenden Druckmeßeinrichtung für den Kaverneninnendruck zu umgehen, wird der
Druck in der Kaverne errechnet. Aus dem geometrischen Volumen und der Gestalt der
Kaverne, den Stoffeigenschaften des Speichermediums, der eingespeicherten Menge an
Speichermedium und der Temperatur des Mediums im Förderrohrstrang oder einer Sondenleitung
abzüglich des geostatischen Druckes aufgrund des Höhenunterschiedes zwischen Speicher
und Bohrlochkopf wird dieser Druck rechnerisch bestimmt.
[0015] Das Volumen des Speichers und die Stoffwerte des Speichermediums sind an sich bekannte
Größen. Ist die Geschwindigkeit im Förderstrang v = O, so stellt sich am Bohrlochkopf
der Speicherinnendruck abzüglich des Druckanteils durch den geodätischen Höhenunterschied
zwischen Speicher und Bohrlochkopf (Länge des Förderstranges) ein. Aus diesen Werten
kann die Gesamtmenge des eingespeicherten Mediums genau bestimmt werden.
[0016] Ist die Strömungsgeschwindigkeit v <> 0, so verändert sich der Druck am Bohrlochkopf
um den Druckabfall (Druckverlust) im Förderstrang, der durch die reibungsbehaftete
Strömung verursacht wird. Da die Zeitkonstante des Speichers sehr groß ist, ändert
sich der Druck im Speicher nur sehr langsam. Der bei einer Strömungsgeschwindigkeit
v = 0 gemessene Druck kann so zur Berechnung des Druckabfalls verwendet werden. Aus
dem Druckabfall selbst wird die Strömungsgeschwindigkeit des Speichermediums am Bohrlochkopf
berechnet und unter Berücksichtigung der Dichte des Mediums und des Querschnittes
des Förderstranges der Volumenstrom ermittelt. Integriert man den Volumenstrom über
die Zeit, erhält man die ein- bzw. ausgespeicherte Menge an Speichermedium und kann
eine Bilanzierung der Gesamtmenge an gespeichertem Medium vornehmen.
[0017] Über die noch im Speicher befindliche Gesamtmenge läßt sich wieder der korrigierte
Druck im Speicher berechnen. Im Hinblick dessen, daß sich bei laufender Aus- bzw.
Einspeisung der Druck im Speicher kontinuierlich ändert, ist eine Korrektur dieses
Wertes in zyklischen Abständen notwendig. Wird der Ein- oder Ausspeiseprozeß betriebsbedingt
unterbrochen, liegt nach kurzer Beruhigungszeit wieder der Innendruck des Speichers
am Bohrlochkopf abzüglich des geostatischen Anteils an. Eine Bewertung der Abweichung
zwischen tatsächlichem Druck und dem berechneten Wert ermöglicht die Erkennung von
Störungen in der Meßwerterfassung. Ebenfalls können unzulässig hohe Abweichungen von
den zugrunde liegenden Prozeßparametern vom realen Ist-Zustand erkannt werden.
[0018] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Eingangssignale aus dem Druck am
Bohrlochkopf und aus der Temperatur des Mediums gebildet. Mit diesen Daten ist eine
hinreichend exakte Aussage über den momentanen Betriebszustand während der Ein- und
Ausspeicherprozesse gewährleistet. Aus den genannten Daten werden die Strömungsgeschwindigkeit
und der Volumenstrom berechnet. Der gemessene Volumenstrom kann zur Mengenbilanz des
Speichers eingesetzt werden, auf dessen Grundlage das wirtschaftlichste Betriebsregime
für den Speicher bestimmbar ist.
[0019] Mit Hilfe der Erfindung kann die Strömungsgeschwindigkeit als bestimmende Ausgangsgröße
für die Überwachung- und Steuerung der Betriebsprozesse in einem sehr großen Bereich
bestimmt und festgelegt werden. Die Erfindung schafft somit die Möglichkeit, die Betriebsführung
der Ein- und Ausspeicherprozesse an die max. zulässigen Grenzwerte auszurichten. Das
erfindungsgemäße Verfahren kann ohne zusätzlichen apparativen Aufwand zur bidirektionalen
Messung sowohl für Einspeicherprozesse als auch für Ausspeicherprozesse eingesetzt
werden. Die ständige Überwachung der Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe der Erfindung
gewährleistet eine sichere Erkennung von Rohrbrüchen.
[0020] Die Erfindung soll nachstehend am Beispiel eines untertägigen Speichers in Form einer
Gaskaverne mit einem definierten geometrischen Volumen näher erläutert werden. In
der dazugehörigen Zeichnung zeigen:
- Fig. 1
- - eine schematische Darstellung der Gaskaverne
- Fig. 2
- - das Blockschaltbild zur Bestimmung der Faktoren für die Anpassung der Steuerung
des Prozeßablaufes an die technologischen und technischen Bedingungen vor Ort
- Fig. 3
- - das Blockschaltbild für den Prozeßanlauf
- Fig. 4
- - das Blockschaltbild für die zyklische Steuerung der Prozeßabläufe
- Fig. 5
- - eine schematische Darstellung des anlagenseitigen Aufbaus für die Durchführung des
Verfahrens
[0021] Das in einer Gaskaverne 1 mit den Parametern
Teufe des Kavernenmittelpunktes: |
544,7 m |
max. Kaverneninnendruck psp: |
100 bar |
min. Kaverneninnendruck psp: |
15 bar |
geometrisches Volumen der Kaverne Vgeo: |
194117 m3 |
mittlere Temperatur in der Kaverne: |
20°C/293,15 K |
Durchmesser des Förderstranges 2: |
200 mm (DN200) |
eingelagerte Medium, beispielsweise Erdgas mit einer Normdichte von 0,79 kg/m
3, soll nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgespeichert werden.
[0022] Die Kaverne 1 ist gemäß Fig. 5 mit einem am Kavernenkopf 3 angeordneten Druckmeßgerät
9 versehen und besitzt in an sich bekannter Weise eine Sicherheitsabsperrarmatur 4
und eine Hauptarmatur 8. Ferner ist in der Sondenleitung 5, die mit einem Absperrventil
11 verschließbar ist, ein Temperaturmeßgerät 10 angeordnet.
[0023] Die Signalleitung 12 des Druckmeßgerätes 9 am Kavernenkopf 3 und die Signalleitung
13 des Temperaturmeßgerätes 10 in der Sondenleitung 5 sind an die Eingänge einer Steuer-
und Auswerteeinheit 14 aufgeschaltet. An Hand der erfaßten Meßwerte Druck und Temperatur
werden in der Steuer- und Auswerteeinheit 14 die Strömungsgeschwindigkeit v, der Volumenstrom
q
Vn des Speichermediums bezogen auf den Normzustand (Normvolumenstrom), der Kaverneninnendruck
p
sp und die Gesamtmenge an Speichermedium V
N in der Kaverne 1 ermittelt.
[0024] Für die Prozeßführung und -steuerung sind die Signal-Ausgänge der Steuer- und Auswerteeinheit
14 über Leitungen 16;17;18; mit der Sicherheitsabsperrarmatur 4 und der Hauptabsperrarmatur
8 am Kavernenkopf 3 und mit dem Absperrventil 11 in der Sondenleitung 5 verbunden
sowie Meß-und Steuerleitungen 15 (Netzwerklinien) zu einem Leitstand an die Steuer-
und Auswerteeinheit 14 angeschlossen.
[0025] Vor Beginn des Ausspeicherprozesses werden, wie im Blockschaltbild nach Fig. 2 dargestellt,
die Faktoren K
3 und K
2 für die Anpassung der Steuerung des Prozeßablaufes an die technologischen Bedingungen
der Kaverne und der Kavernenausrüstung vor Ort aus dem Volumen des Kavernenhohlraumes,
der Teufe des Kaverenenmittelpunktes, den thermodynamischen Eigenschaften des eingespeicherten
Mediums und aus dem Querschnitt der Sondenleitung 5 nach den angegebenen Formeln I
und II ermittelt. In den Formeln I und II bedeuten
- d
- = Durchmesser der Rohrleitung
- rho
- = Dichte des Speichermediums
- TSp
- = Temperatur des Speichermediums im Speicher
- TN
- = Temperatur des Speichermediums im Normzustand
- pN
- = Druck im Normzustand
- VSp
- = Volumen des Mediums im Speicher
- kh
- = Korrekturfaktor für die Berücksichtigung des Druckzuwachses durch die Teufe des
Kavernenmittelpunktes
[0026] Aus der Differenz zwischen dem Druck p
K bei ruhendem Gasstrom am Kavernenkopf 3 und dem Druck eines konstanten Volumenstromes
q
VN, der dem maximal möglichen Druck p
Sp im Betriebsregime der Kaverne 1 entspricht, wird der Faktor K
1 nach der in Fig. 2 angegebenen Formel III ermittelt. In dieser Formel bedeuten:
- qVN
- = Volumenstrom des Speichermediums
- rho
- = Dichte des Speichermediums
- d
- = Durchmesser der Rohrleitung
- Δp
- = Differenzdruck
[0027] Die so erhaltenen Faktoren K
1, K
2 und K
3, die einen unmittelbaren Einfluß auf den Prozeßablauf haben, werden als Rechengröße
erfaßt und zur Programmierung des Ablaufes des Ausspeicherprozesses in die Steuer-
und Auswerteeinheit 14 eingegeben.
[0028] Nach Eingabe der Faktoren K
1, K
2 und K
3 wird die Steuer- und Auswerteeinheit 14 gestartet und in einem ersten Durchlauf durch
die Auswerteeinheit 14, wie aus Fig. 3 hervorgeht, der Druck p
K am Kavernenkopf 3 erfaßt und die in der Kaverne 1 eingelagerte Gesamtmenge V
N an Speichermedium nach der Formel IV, in der
- pK
- = Druck am Kavernenkopf
- pN
- = Druck im Normzustand
- ZSp
- = Realgasfaktor des Speichermediums unter Betriebsbedingungen im Speicher
- K3
- = Rechenfaktor nach Formel II
bedeuten, bestimmt. Aus der ermittelten Gesamtmenge V
N an Speichermedium wird der Kaverneninnendruck p
sp nach der Formel V ermittelt, in der
- K3
- = Rechenfaktor nach Formel II
- VN
- = Gesamtvolumen an Speichermedium im Speicher
- ZSp
- = Realgasfaktor
- pN
- = Druck im Normzustand
sind. Im Anschluß hieran erfolgt der Start des Prozeßablaufes für die Ausspeicherung
des eingelagerten Gases, der in zyklischen Abschnitten, wie in Fig. 1 anhand der gestrichelten
Linien dargestellt, abläuft.
[0029] Der zyklische Prozeßablauf, wie im Blochschaltbild Fig. 4 dargestellt, beginnt mit
der Erfassung und Speicherung des Druckes p
K am Kavernenkopf 3. Aus dem vorhergegangenen Durchlauf gemäß Fig. 3 wird der Differenzdruck
Δp aus dem Druck p
K am Kavernenkopf 3 und dem nach Formel V bestimmten Kaverneninnendruck p
sp ermittelt und hieraus die Strömungsgeschwindigkeit v mit Hilfe der Formel VI, in
der
- K1
- = Faktor gemäß Formel II
- Δp
- = Differenzdruck
- rho
- = Dichte des Speichermediums
sind, bestimmt. Die Strömungsgeschwindigkeit v wird für einen Regeleingriff bereitgestellt,
bei Bedarf angezeigt und gleichzeitig auf eine mögliche Überschreitung der in der
Steuer- und Auswerteeinheit 14 eingestellten Grenzwerte überwacht. Bei einer Überschreitung
dieser Grenzwerte wird ein Warnsignal ausgelöst und gegebenenfalls die Sicherheitsarmaturen
4, 8 und das Absperrventil 11 geschlossen.
[0030] In der Steuer- und Auswerteeinheit 14 wird auf der Grundlage der Strömungsgeschwindigkeit
v mit Hilfe der Formel VII der Normvolumenstrom q
VN ermittelt, angezeigt und ebenfalls für einen Regeleingriff bereitgestellt. In der
Formel VII bedeuten,
- K2
- = Faktor nach Formel (I)
- rho
- = Dichte des Speichermediums
- v
- = Stömungsgeschwindigkeit des Speichermediums
[0031] Mit der Formel VIII - Fig. 4 -, in der
- qVN
- = Normvolumenstrom des Speichermediums
- VNalt
- = Normvolumen am Beginn des Ausspeicherprozesses
bedeuten, wird durch Integration des Normvolumenstromes q
VN unter Berücksichtigung des Normvolumens V
Nalt die eingelagerte Gesamtgasmenge V
N in der Kaverne 1 bilanziert und einer Neuberechnung des Speicherinnendruckes p
sp nach der Formel IX, in der
- K3
- = Faktor nach Formel (II)
- ZSp
- = Realgasfaktor des Speichermediums
- VN
- = Normvolumen
sind, für den selbständigen Start eines neuen Verfahrenszykluses für den Prozeßdurchlauf
zugrunde gelegt.
[0032] Diese in den Blockschaltbildern nach Fig. 2 bis 4 dargestellten Steuerungszyklen
laufen selbsttätig während des gesamten Speicherbetriebes bei einer Ein- bzw. Ausspeicherung
eines ein- bzw. auszulagernden Mediums ab, wobei über die an der Steuer- und Auswerteeinheit
14 angeschlossenen Meß- und Signalleitungen 15 der gesamte Prozeßablauf von einem
Leitstand aus kontrolliert und überwacht werden kann. Die sich wiederholenden zyklischen
Prozesse sind, wie bereits erwähnt, durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 kenntlich
gemacht.
Bezugszeichenaufstellung
[0033]
- 1
- Gaskaverne
- 2
- Förderstrang
- 3
- Kavernenkopf
- 4
- Sicherheitsabsperrarmatur
- 5
- Sondenleitung
- 6
- geodätischer Höhenunterschied (Teufe des Kavernenmittelpunktes)
- 7
- Kavernenmittelpunkt
- 8
- Hauptarmatur (Mastervalve)
- 9
- Druckmeßgerät
- 10
- Temperaturmeßgerät
- 11
- Absperrventil
- 12
- Signalleitung
- 13
- Signalleitung
- 14
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 15
- Meß- und Steuerleitung
- 16
- Signalleitung
- 17
- Signalleitung
- 18
- Signalleitung
- pK
- Druck am Bohrlochkopf
- psp
- Speicherinnendruck
- Δp
- Differenzdruck
- v
- Strömungsgeschwindigkeit
- qVN
- Volumenstrom
- Vgeo
- geometrisches Volumen des Speichers
- VSp
- Gesamtmenge an Speichermedium